倪軍遠

(煙臺機電工業(yè)學校，山東 煙臺 265205)

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基于AT89C51型單片機的小型音樂噴泉的設計

倪軍遠

(煙臺機電工業(yè)學校，山東 煙臺 265205)

摘要：小型音樂噴泉因小巧而炫麗多彩被廣泛應用到室內很多場所。AT89C51型單片機成本低，工作可靠，具有豐富的接口資源和指令功能，越來越多被應用到微型控制電路，本文根據大型音樂噴泉的工作原理和控制方法，確定了適合AT89C51型單片機控制的設計方案，來實現小型音樂噴泉的聲、光、水完美控制。

關鍵詞：小型噴泉；AT89C51；單片機控制

我們日常生活中的音樂噴泉是根據音樂節(jié)奏來實現噴泉的噴水頻率和水柱的高度變化，使水柱高度的變化及頻率的變化與樂曲的節(jié)奏同步。水泵調節(jié)噴泉管路中的水流，而水泵是由三相異步電動機驅動的，所以，只要對三相異步電動機的轉速進行控制，就可以控制管路中的流量。當給三相異步電動機通入工頻電源時，則轉速是不變化的；當電機的轉速采用變頻器控制時，可以使管路中的流量發(fā)生柔性變化，這樣噴泉運行時變化就更靈活。

1小型音樂噴泉控制機構硬件方案

1.1控制機構硬件總方案

小型音樂噴泉控制機構由音樂輸入系統(tǒng)、數模轉換系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結構框圖

1.2音樂信號識別

本文采用的是外部音源的小型噴泉系統(tǒng)，完成對模擬音樂信號的采集，才能對音樂信號進行特征識別。對于音樂信號的采集分為二個方面，一是音頻放大，二是A/D轉換。

1.2.1音頻放大的實現

我們采用的外部音源信號一般不能直接采用，因為其幅度一般較弱，這需要我們要對外部原信號進行放大處理，然后送入A/D轉換器進行采用。通常使用LM386芯片實現音頻放大，其具有功耗低，工作電壓范圍寬，所需外圍元件少等特點，在電子設備的音頻放大電路中應用廣泛。如圖2所示，LM386采用雙列8腳封裝結構，它的工作電壓范圍為4～12 V，靜態(tài)電流4 mA，最大輸出功率660 mW，最大電壓增益46 dB，增益帶寬300 kHz，諧波失真0.2%[1]。

圖2　功放模塊和音頻輸入模塊

1.2.2采樣定理

對于音樂信號的采樣，在對其信號進行放大處理后，通過A/D轉換將模擬信號采集進控制器進行識別。采樣定理的描述為“對一個模擬信號進行離散化時，只要滿足采樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率fm的2倍，就可以通過理想的低通濾波器，從樣本值序列信號中無失真地恢復出原始模擬信號”，這里的fm稱為香農頻率，這個采樣定理又稱為香農采樣定理。對連續(xù)的音樂信號進行采樣時，為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息以使其能夠較正確地重現原來的模擬信號，在采樣時應當使采樣頻率滿足采樣定理的要求。

1.3單片機電路

AT89C51是一種帶4 k字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機通過采集音樂信號來調節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。

1.4A/D轉換電路

由于單片機不能直接處理交流模擬量，所以先采用全橋整流、濾波，使電壓的交流模擬量轉為直流信號，然后采用ADC電路。AD芯片為ADC0832，能適應一般的模擬量轉換。如圖3所示。

圖3　ADC0832

1.4.1音頻輸入電路

輸入電路是指對檢測到的樂曲信號以電平、脈沖或數字等形式傳至單片機的電路。樂曲信號經混合后進入限幅放大，使弱的樂曲信號強度變大，整流濾波電路將信號轉為單向信號，電壓比較器將大于基準電壓的單向信號變換成低電平有效的樂曲信號輸出，可以通過調整基準電壓，使電路不受干擾的影響而靈敏度增大，通過樂曲來控制整個噴池的動作。

1.5潛水泵調速硬件方案設計

采用單相電動機調速系統(tǒng)控制噴泉水泵的轉速，電路如圖4所示，利用脈寬PWM法[2]，控制一個脈寬的變量，根據聲音不同，高電平的脈寬不一樣，控制著延時，由單片機的I/O口輸出矩形波，控制水泵電機的轉速，調整噴泉的輸出高度。由單片機P20腳，根據樂曲采樣波型，控制硅的通斷，來達到最終調速目的。

圖4　電機電路圖

1.6燈光硬件方案設計

彩燈是為了渲染色彩增強節(jié)奏感而設計的。彩燈設計

采用音頻信號經過單片機控制，對輸入的音樂信號進行轉換輸出，來控制發(fā)光二極管的亮和滅[3]。樂曲節(jié)奏越強，發(fā)光二極管同時亮的越多，同樣反之亮的越少。

彩燈硬件設計如圖5所示。

圖5　彩燈的連接

2噴泉控制系統(tǒng)軟件設計

2.1主程序流程圖

圖6　主程序流程圖

3結論

本設計方案實現了噴泉的水柱隨著音樂的高低起伏變化，就是說音樂高則水柱高，音樂低則水柱低，隨著音樂的不同，噴水的高低會不同，同時彩燈隨著音樂一起閃爍。由于時間、水平和經驗有限，在音樂處理等方面仍有不足之處，只能實現簡單的功能，有些地方并不完善，有待改善。

參考文獻

[1]李華，胡漢才.噴泉設計設備手冊[M].北京：高等教育出版社，2006：56-70.

[2]李漢.基于單片機的單相電動機調速方法及其實現[J].廣州航海高等專科學校學報,2004,12(1)：38-40.

[3]吳仁華，祁大勇.大型廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設計[J].測控技術,2003(9):34-35.

Design of Miniature Music Fountain Based on AT89C51 Type SCM

Ni Junyuan

(YantaiMechanicalandElectronicsSchool,YantaiShandong265205,China)

Abstract:Miniature music fountain is widely applied in many indoor places for its small and dazzle beautiful and colorful. The AT89C51 type single chip microcomputer is applied to the micro control circuit widely, which has the characters of low cost, reliable work, rich interface resources and the instruction function. Based on the working principle and the control method of large music fountain, the article determines the suitable design scheme for the type of AT89C51 single-chip microcomputer to achieve a perfect control on the sound, light and water of small music fountain.

Key words:miniature music fountain; AT89C51; SCM control

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：倪軍遠(1979- )，男，山東莒縣人，大學本科，從事電氣自動化教學研究。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0010- 02

中圖分類號：TP273.5

文獻標識碼：A